關(guān)于礦井交岔點(diǎn)設(shè)計(jì)研究

陳旭

(河南理工大學(xué)能源學(xué)院，河南 焦作 454150)

1 交岔點(diǎn)分類

礦井巷道交岔點(diǎn)的結(jié)構(gòu)形式，可分為柱墻式交岔點(diǎn)和穿尖交岔點(diǎn)兩種;其斷面形狀宜與相連接的巷道斷面形狀相同。

1.1 柱墻式交岔點(diǎn)

柱墻式交岔點(diǎn)，在圍巖的巷道中均可使用。交岔點(diǎn)長度內(nèi)兩條巷道的相交部分，形成一個(gè)漸變跨度的大斷面，最大斷面的跨度和拱高是由相交巷道的寬度和柱墻的寬度來決定的。這種交岔點(diǎn)與穿尖式交岔點(diǎn)相比，巷道工程量較大，施工時(shí)間較長，但具有受力條件好，容易維護(hù)等特點(diǎn)。

1.2 穿尖式交岔點(diǎn)(又叫簡易交岔點(diǎn))

穿尖式交岔點(diǎn)一般在圍巖穩(wěn)定堅(jiān)硬，跨度小的巷道中使用。在交岔點(diǎn)的長度內(nèi)，其相交部分保持各自的巷道斷面。拱高是以自身的跨度來決定。因此，碹岔中間斷面的高度不超過兩相交巷道中寬巷的高度。由于長度短、拱高低、斷面尺寸不漸變，從而使工程量減小，施工時(shí)間縮短，通風(fēng)阻力小，也使設(shè)計(jì)工作簡化。但與柱墻式交岔點(diǎn)在相同條件下具有的拱部承載能力小、僅適用于圍巖穩(wěn)定、堅(jiān)硬、跨度較小的巷道。

2 礦井各類巷道使用交岔點(diǎn)類型

2.1 礦井井底車場、水平運(yùn)輸大巷、采區(qū)上、下部平車場、中部甩車場或服務(wù)年限較長的各類巷道都必須使用正規(guī)柱墻式交岔點(diǎn)，同時(shí)應(yīng)根據(jù)巷道圍巖的軟、硬程度選擇應(yīng)用半圓拱、圓弧拱和三心拱。

2.2 采區(qū)各類車場、巖中巷和橫川等處的交叉點(diǎn)在運(yùn)輸量較小，過車不頻繁的情況下應(yīng)盡量選用穿尖式交岔點(diǎn)，但巷道轉(zhuǎn)角應(yīng)大于45°以上。

3 交岔點(diǎn)參數(shù)尺寸

巷道交岔點(diǎn)的布置和斷面設(shè)計(jì)應(yīng)滿足礦井井下運(yùn)輸、管線布置、通風(fēng)、行人和安全的要求;所用鋼軌軌型，應(yīng)與其相連接的直線巷道的軌型相一致，也可選用大一級(jí)的鋼軌型號(hào)。交岔點(diǎn)道岔型號(hào)及曲線半徑應(yīng)根據(jù)所采用的運(yùn)輸車輛的型號(hào)、運(yùn)量和運(yùn)行速度確定，并應(yīng)符合《煤礦礦井井底車場設(shè)計(jì)規(guī)范》中有關(guān)規(guī)定。

軌型(kg/m)運(yùn)輸設(shè)備牽引設(shè)備類型軌距(mm)撤叉號(hào)碼礦車類型單開 對(duì)稱平曲線半徑(m) 20t以上機(jī)車5.0t及其以上底卸式900 38－43 6 4 40－50 14－20t機(jī)車3.0t底卸式 900 30－38 5、6 4 30－35 5.0t底卸式900 30－38 6 4 30－40 1.0t固定式 600 30 4、5 3 15－20 1.5 t固定式 600 30 4、8－12t機(jī)車5 3 15－20 1.5 t固定式 900 30 4、5 3 20－25 3.0 t固定式900 30 5 4 20－25 3.0 t底卸式600 30 5 4 25－30 5.0 t底卸式 600 900 30 5、6 4 30－40

軌型(kg/m)運(yùn)輸設(shè)備牽引設(shè)備類型軌距(mm)撤叉號(hào)碼礦車類型單開 對(duì)稱平曲線半徑(m) 1.0t固定式7t及其以下機(jī)車600 22 4 3 12－15 1.5 t固定式 600 900 22－30 4、5 3 15－20 3.0 t固定式 900 30 4、5 3 20－25無極繩絞車 1.0t固定式 600 15－22 4、5 3 30－50 4 3 12－15 1.0t固定式 600 15－22 2、非機(jī)械牽引3 3 9－12 1.5 t固定式 600 900 15－22 3、4 3 9－12 3.0 t固定式 900 22 3、

在滿足安全使用的前提下，盡量減少交岔點(diǎn)的工程量、減小交岔點(diǎn)最大斷面的跨度與高度對(duì)整個(gè)交岔點(diǎn)的穩(wěn)定是關(guān)鍵。

關(guān)于交岔點(diǎn)平面尺寸確定請(qǐng)參考采礦工程設(shè)計(jì)手冊(cè)(下冊(cè))第二章第一節(jié)的有關(guān)內(nèi)容進(jìn)行確定和計(jì)算。

3 交岔點(diǎn)支護(hù)方式的選擇

交岔點(diǎn)的支護(hù)形式由砌碹、錨噴、錨網(wǎng)噴、棚式及復(fù)合支護(hù)等，礦井井底車場、水平運(yùn)輸大巷、采區(qū)上、下部平車場、中部甩車場及服務(wù)年限較長的各類巷道交岔點(diǎn)應(yīng)優(yōu)先選擇錨噴、錨網(wǎng)噴。交岔點(diǎn)盡量布置在穩(wěn)定的巖層中，對(duì)埋深超過600m或地壓顯現(xiàn)嚴(yán)重的地區(qū)和巖層中、圍巖破碎及易風(fēng)化時(shí)建議采用錨網(wǎng)噴、壁后注漿加固圍巖、加錨索等聯(lián)合重復(fù)支護(hù)，必要時(shí)可采用砌碹支護(hù)。

3.1 錨網(wǎng)噴支護(hù)

在堅(jiān)硬巖層中的巷道交岔點(diǎn)，可單獨(dú)采用錨桿支護(hù)，受到采動(dòng)影響的巷道交岔點(diǎn)，可使用柔性托架、金屬網(wǎng)背板支架;在復(fù)雜的地質(zhì)條件下，應(yīng)采用錨桿組合支架。

(1)錨桿長度應(yīng)與圍巖松動(dòng)圈相匹配，但不應(yīng)小于2m，直徑不小于20mm，藥卷不小于500mm，錨桿間排距不小于600mm.

(2)錨桿組合支護(hù)的形式及結(jié)構(gòu)。巷道交岔點(diǎn)錨桿組合支架由錨桿、托梁和背板(或金屬網(wǎng))組成。

用錨桿支架支護(hù)巷道交岔點(diǎn)時(shí)，在交岔點(diǎn)區(qū)域和離交岔點(diǎn)1～2m的分巷道區(qū)段內(nèi)，應(yīng)增大錨桿安設(shè)密度(比分岔巷道提高1～2倍)或者增加錨桿長度。在交岔點(diǎn)范圍內(nèi)，既增大錨桿的安裝密度，又增加錨桿的長度，交岔點(diǎn)錨桿支架用的剛性托梁，一般用扁鋼、槽鋼、礦用U型鋼制作或用鋼筋焊接而成。此外，交岔點(diǎn)錨桿支架還可用由扁鋼制作成預(yù)應(yīng)力柔性托梁。托梁的兩端設(shè)置專用定位器，使托梁緊貼在交岔點(diǎn)巷道頂板上，從而形成“支架—巖石”預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系。通過托梁中間孔安裝錨桿，以提高支護(hù)強(qiáng)度。

組合錨桿支護(hù)的巷道交岔點(diǎn)，在主岔巷道縱向布置四條扁鋼托梁錨桿支架，并拉緊交岔點(diǎn)區(qū)的頂板和煤柱的金屬網(wǎng)，以鋼絲繩來加強(qiáng)交岔點(diǎn)處錨桿支架。鋼繩的兩端同錨桿固定在交岔點(diǎn)兩幫。在交叉點(diǎn)兩幫的拐角處，擰緊錨桿螺帽時(shí)，卡箍隨著移動(dòng)，并拉緊鋼絲繩。鋼絲繩固定拉緊后，再安設(shè)交岔點(diǎn)頂板錨桿。

巷道交岔點(diǎn)處的煤(巖)柱用錨桿、柔性托梁、金屬網(wǎng)加固。當(dāng)煤(巖)柱厚度小于2m時(shí)，可用兩端頭螺紋的拉桿穿通煤(巖)柱拉固，擰緊拉桿和錨桿螺帽能可靠地加固煤(巖)柱。另外還可用樹脂漿液封堵裂隙，加固煤(巖)，可獲高于裂隙巖層強(qiáng)度1～2倍的整體堅(jiān)固的巖層。

錨桿聯(lián)合支護(hù)中，錨桿作為加固型支架能阻止巖石離層，并有助于使作用在支撐式支架上的荷載更均勻地分布，錨桿與支撐式支架可以交替支護(hù)。在地表垂深較大時(shí)，可采用礦用U型鋼可縮支架和鋼筋網(wǎng)、錨噴三層聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)及緩壓施工方法，其施工順序?yàn)槭紫葒娚?0～80mm厚砂漿封閉圍巖，允許圍巖與支架同步變形。若封閉噴層脫落，則進(jìn)行復(fù)噴，不使圍巖暴露。當(dāng)圍巖變形趨向穩(wěn)定后，進(jìn)行第二次支護(hù)。第二次支護(hù)為圓鋼制作的200mm×200mm鋼筋網(wǎng)，綁扎在U型鋼骨架上，然后將骨架和鋼筋網(wǎng)噴平、噴齊形成三角交岔點(diǎn)的永久支護(hù)。

(3)錨網(wǎng)噴支護(hù)中對(duì)錨網(wǎng)應(yīng)采用直徑不小于4mm的冷拔絲點(diǎn)焊網(wǎng)，噴漿厚度保持在100－200為宜，噴漿強(qiáng)度不小于C30。

3.2 復(fù)合支護(hù)

隨著礦井采深的增加，巷道壓力逐步增大，為了保證巷道的穩(wěn)定性支護(hù)形式上應(yīng)選擇復(fù)合支護(hù)，一般采用錨網(wǎng)噴、錨索和壁后注漿加固聯(lián)合支護(hù)。

(1)錨索的深度及數(shù)量應(yīng)根據(jù)交岔點(diǎn)的長度、跨度和圍巖情況確定，交岔點(diǎn)較長、跨度較大和圍巖破碎時(shí)，錨索深度應(yīng)考慮錨固到頂板堅(jiān)硬的巖石中，一般深度在10～15m左右，不少于7m;錨索應(yīng)按五花眼進(jìn)行布置錨索支護(hù)長度應(yīng)以主巷斷面5米外開始到支巷5米外;錨索的間排距根據(jù)斷面大小進(jìn)行調(diào)整，但應(yīng)不大于3m。

(2)注漿加固應(yīng)全斷面進(jìn)行，當(dāng)?shù)装鍑鷰r不穩(wěn)定時(shí)，應(yīng)進(jìn)行底板加固。注漿加固終孔壓力不得小于3MPa，建議采用長短孔注漿，孔深應(yīng)與錨索長度相匹配，但不的小于2m。

3.3 棚式金屬支架交岔點(diǎn)

棚式交岔點(diǎn)是交岔點(diǎn)常用的形式，在礦井各類巷道中應(yīng)用較多，下面將此類交岔點(diǎn)單獨(dú)列出進(jìn)行分析。

(1)形式

金屬支架是采準(zhǔn)巷道交岔點(diǎn)支架的主要形式;通常采用礦用U型鋼和工字鋼制作，在交岔點(diǎn)的關(guān)鍵部位(拐角處和最大跨度處)要澆灌混凝土柱墩，或設(shè)置金屬抬棚，或用錨桿支護(hù)加固頂幫。

交岔點(diǎn)金屬支架與巷道金屬支架的主要不同之處是:交岔點(diǎn)跨度大，需要加密支架;交岔點(diǎn)處巷道斷面在變化，需要采用非標(biāo)準(zhǔn)巷道拱形支架;交岔點(diǎn)處高度大，為節(jié)省開挖量，通常改變拱頂形狀，由半圓拱改為圓弧拱或三心拱;應(yīng)滿足井下支架的運(yùn)輸、安裝方便和可縮性要求。

(2)結(jié)構(gòu)

1 )交岔點(diǎn)U型鋼拱形金屬可縮支架:巷道交岔點(diǎn)U型鋼金屬可縮支架形式有完全拱頂形U型鋼可縮支架和不完全拱平頂形U型鋼可縮支架。不完全拱平頂形U型鋼可縮支架適應(yīng)于較穩(wěn)定、不易破碎的巖層中拱形斷面的采準(zhǔn)巷道交岔點(diǎn)支護(hù)，要求如下:①在交岔點(diǎn)小跨度處用4節(jié)U型鋼金屬拱形支架，兩節(jié)為標(biāo)準(zhǔn)拱腿，兩節(jié)為弓形頂;②在交岔點(diǎn)大跨度處用5節(jié)U型鋼金屬平頂型支架，兩節(jié)為標(biāo)準(zhǔn)拱腿，兩節(jié)彎曲的標(biāo)準(zhǔn)拱腿，一節(jié)平頂梁;③全部交岔點(diǎn)組合支架的間距均為0.5m?？筛鶕?jù)地質(zhì)條件，調(diào)節(jié)支架間距，增減組合支架數(shù)目;④五節(jié)拱形U型鋼金屬支架可用槽鋼與長2.0m錨桿組成的錨梁加固(必要時(shí)采用錨索加固)，以保證交岔點(diǎn)拱形U型鋼支架的穩(wěn)定。

2 )交岔點(diǎn)工字鋼梯形金屬剛性支架:在圍巖f＞4，不受采動(dòng)影響，位移量小的靜壓巷道交岔點(diǎn)，可用梯形工字鋼金屬剛性支架。通常梯形支架的立柱和頂梁采用工字鋼。立柱上端焊接一塊槽鋼，下端焊接鋼板。支架頂梁離兩端225mm各焊一塊等邊角鋼。借助立柱上端焊接的槽鋼和頂梁兩端焊接的角鋼，保證立柱與頂梁連接。

4 減少交岔點(diǎn)工程量特殊設(shè)計(jì)

4.1 利用圓弧拱改變拱高的交岔點(diǎn)設(shè)計(jì)

對(duì)巷道的拱高處理主要利用圓弧拱圓心的降低來完成，從交岔點(diǎn)變斷面起點(diǎn)開始，將巷道斷面由半圓拱調(diào)整為圓弧拱，圓弧拱的半徑隨交岔點(diǎn)跨度增加而增大，圓心則隨交岔點(diǎn)斷面跨度的增大而降低。這樣就有效的阻止了巷道拱高的大幅度增加，減少了巷道的掘、支工程量。

(1)圓弧拱圓心降低坡度

tgw=△h/L0

tgw——圓弧拱圓心降低坡度;

△h——圓弧拱圓心降低值，經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)取值 300mm－700mm;

L0——交岔點(diǎn)起點(diǎn)到最大跨度的直線距離。

(2)圓弧拱半徑

Rn——交岔點(diǎn)中n點(diǎn)所在斷面圓弧拱的半徑;

Bn——為交岔點(diǎn)中n點(diǎn)所在斷面的圓弧拱跨度。

4.2 半圓拱向標(biāo)準(zhǔn)三心拱過渡的交岔點(diǎn)設(shè)計(jì)

針對(duì)井下對(duì)交岔點(diǎn)跨度和高度有特殊需求的，可采取由半圓拱向標(biāo)準(zhǔn)三心拱(拱高為凈高的三分之一)過渡的支護(hù)方法進(jìn)行。

半圓拱支護(hù)半徑R1=L/2

標(biāo)準(zhǔn)三心拱的大圓半徑R=0.692L

標(biāo)準(zhǔn)三心拱的小圓半徑r=0.262L

L—交岔點(diǎn)巷道的跨度。

4.3 降低墻高的設(shè)計(jì)

降低墻高必須滿足安全和使用的要求，交岔點(diǎn)墻高降低值一般為200～500mm之間，墻高降低值低于200mm時(shí)可不降低，但墻高最大降低值大于500mm時(shí)，巷道安全間隙內(nèi)的最大高度會(huì)受影響。

4.4 煤巷施工中的直棚加抬棚交岔點(diǎn)設(shè)計(jì)

煤巷掘進(jìn)交岔點(diǎn)施工中一般采取的方法為:使用的主巷架設(shè)直棚，交岔巷口架設(shè)雙抬棚，對(duì)交叉口處使用直棚向雙抬棚梁上搭接的方法進(jìn)行處理，采用漸變角度架設(shè)抬棚或鋼棚將輔助巷支護(hù)轉(zhuǎn)變?yōu)橹迸镏ёo(hù)。

設(shè)計(jì)及施工中應(yīng)遵循兩點(diǎn)原則，一是盡量減少岔口處抬棚架設(shè)的跨度，從而減少抬棚上直棚的搭設(shè)數(shù)量，保證抬棚和搭接直棚的支護(hù)強(qiáng)度;二是盡量減小主巷的直棚跨度，避免直棚跨度過大造成的支撐強(qiáng)度不能滿足安全需要。兩點(diǎn)原則要互相兼顧，合理結(jié)合現(xiàn)場巷道斷面、頂板巖性和破碎程度等因素進(jìn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)出最優(yōu)的支護(hù)方案。